KR100775221B1 - 영구 자석 전기 모터를 제어하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영구 자석 전기 모터의 속도 및 토크의 변화에 따라 3상 영구 자석 전기 모터 단자 전압을 제어하는 시스템 및 방법을 제공한다. 먼저 상전류는 고정 프레임에서 회전자 동기 프레임의 2개의 디컬링된 전류 성분으로 회전한고, 이것은 사중(quadrature) 축의 전압 및 직접 축의 전압 유도를 가능케 하여, 사중 축 전압 및 직접 축 전압을 회전자 동기 프레임에서 정지 프레임으로 다시 회전시킴으로써 영구 자석 전기 모터 단자 전압을 생성시킨다.

Description

영구 자석 전기 모터를 제어하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING A PERMANENT MAGNET ELECTRIC MOTOR}
본 발명은 영구 자석 전기 모터에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 영구 자석 전기 모터를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 영구 자석 모터를 제어하기 위해서는, 모터 단자에 인가될 전압을 생성하기 위해 위상, 주파수 및 모터 회전자의 회전에 의해 생성된 기전력(EMF) 전압 등과 같은 영구 자석 모터의 특성이 결정될 필요가 있다.
이러한 영구 자석 모터의 특성은 위치 센서를 사용함으로써 획득할 수 있는데, 이것은 예컨대 잡음 및 온도와 같은 주위 환경의 변화와 불순물의 존재에 따라 피드백 신호가 변화되기 때문에 비용을 증가시키고, 방법의 신뢰성을 감소시킨다.
가능한 방법으로는 영구 자석 모터의 기전력을 평가하는 것이 있다. 그러나, 고속 모터의 경우에, 이러한 방법은 고속 계산 속도를 필요로 하고 고가의 비용을 소요시킨다. 게다가, 모터의 특성은 주위 환경에 따라 변화하기 때문에 그러한 제어 방법은 복잡할 수 있다.
유럽 특허 EP0944164호는 유도 전압 평가기(estimator)를 사용하여 영구 자석 전기 모터를 제어하는 시스템 및 방법을 개시하고 있다.
상술한 바와 같이, 영구 자석 모터를 제어하기 위한 다수의 방법이 공지되어 있지만, 이러한 방법들은 위치 센서 및 복잡한 계산을 요구하거나, 영구 자석 모터 각각의 설계에 따라 환경에 적응하여야 한다.
그러므로, 영구 자석 전기 모터를 간단하고, 신뢰성있는 방식을 제어할 수 있고, 환경 변화에 자동적으로 적응할 수 있는 시스템 및 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 영구 자석 전기 모터용의 개선된 제어기 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
보다 상세하게, 본 발명에 따른 영구 자석 전기 모터를 제어하는 시스템은, 모터 제어기 및 전력단을 포함하며, 상기 모터 제어기는 영구 자석 전기 모터의 속도 및 토크 변화에 따라, 영구 자석 전기 모터의 상 전류를 사용하여 전압 제어 신호를 생성하고, 상기 전압 제어 신호는 상기 전력단을 통해 상기 영구 자석 전기 모터로 피드백되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 영구 자석 전기 모터 제어 방법은, 상기 영구 자석 전기 모터의 각 위상의 전류를 결정하는 단계; 상기 영구 자석 전기 모터의 속도 및 토크 변화에 따라 전압 제어 신호를 획득하는 단계; 및 상기 전압 제어 신호를 상기 영구 자석 전기 모터로 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 회전자와 고정자를 갖는 영구 자석 3상 전기 모터를 제어하는 회로는, 직접축(Id) 및 사중축(Iq) 각각을 따라 고정 프레임에서 회전자 동기 프레임의 2개의 디커플링된 전류 성분으로 상기 영구 자석 전기 모터의 전류 신호의 회전을 가능케 하는 회전자; 상기 사중축 상의 전압(Vq) 및 상기 직접축 상의 전압 (Vd)를 유도하는 비례 및 적분 연산자; 및 상기 회전자 동기 프레임에서 상기 고정 프레임으로 전압 Vq 및 Vd를 뒤로 회전시켜서 상기 영구 자석 전기 모터의 단자 전압 Va,Vb,Vc를 생성하는 회전자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 회전자와 고정자를 갖는 영구 자석 3상 전기 모터를 제어하는 방법은, 상기 영구 자석 전기 모터의 상 전류를 고정 프레임에서 직접축(Id) 및 사중축(Iq) 각각에 따른 회전자 동기 프레임의 2개의 디커플링된 전류 성분으로 회전시키는 단계; 상기 직접축 상에 전압(Vd)을 유도하는 단계; 및 상기 전압 Vq 및 Vd를 상기 회전자 동기 프레임에서 상기 고정자 프레임으로 회전시켜 상기 영구 자석 전기 모터의 단자 전압 Va,Vb,Vc를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 각각 전류 ia,ib,ic를 지원하는 영구 자석 전기 모터를 제어하는 방법은, 상기 전류 ia,ib,ic를 결정하는 단계; 상기 전류 ia ,ib,ic를 각 -θn만큼 회전시켜 전류 Id 및 Iq를 생성하는 단계; 상기 영구 자석 전기 모터의 전류 토크를 계산하는 단계; 전류 회전각 θn+1을 계산하는 단계; 전압 출력 Vq를 계산하는 단계; 전압 출력 Vd를 계산하는 단계; 상기 전압 Vq 및 Vd를 회전각 θ n+1만큼 회전시켜 3개의 전압 제어 신호 Va,Vb,Vc를 생성하는 단계; 및 상기 전압 제어 신호 Va,Vb,Vc를 상기 영구 자석 전기 모터에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 구성 및 효과는 이하의 첨부된 도면을 참조하여 주어진 실시예들의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모터 제어기 시스템의 간략화된 다이어그램이다.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기 모터 제어 방법의 흐름도이다.
개략적으로, 본 발명은 모터의 속도 및 토크의 변화에 따른 단자 전압을 모니터링함으로써 3상 전기 모터를 제어하는 시스템 및 방법을 제공한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 영구 자석 모터의 상전류가 우선 정적 프레임으로부터 회전자 동기 프레임의 2개의 디커플링된 전류 성분으로 회전되고, 이것은 회전자 동기 프레임으로부터 정지 프레임으로 사중 및 직접축을 뒤로 회전시킴으로써 사중축을 따른 전압 및 직접축 상에 유도하여 모터 단자 전압을 생성한다.
도1에 도시된 시스템은 영구 자석 모터(이하, PM 모터(12)라 함), 전력단(14) 및 모터 제어기(16)를 포함한다.
PM 모터(12)는 회전자 및 고정자가 장착된 3상 전기 모터이며, 3개의 위상에 는 각각 ia, ib 및 ic가 흐른다. 이러한 위상 전류들은 파킹 벡터 회전자 유닛(16)에 의해 감지 및 사용되어 3개의 전압제어 신호들 Va, Vb 및 Vc를 생성하고, 이들 전압은 전력단(14)에 공급된다.
예컨대, 전력단(14)은 Semikron에 의해 제공된 타입, 구체적으로 SKiiPACKTM 342 GD 120-314 CTV일 수 있다.
모터의 각 속도 "ω"는 PM 모터(12)의 속도를 나타내는 값을 시스템(10) 내에 세팅함으로써 사용자에 의해 제어된다. 사용자는 기준 전류값 "I"을 선택하며, 이 값은 통상적으로 0으로 설정되나, 다른 값이 될 수도 있다.
모터 제어기(16)는 파킹 벡터 회전자 유닛 형태이다. 파킹 벡터 회전자 유닛(16)은 순시값 θn+1 및 -θn를 갖는 2개의 연속적으로 회전하는 회전각들을 생성하는데, 여기서 음의 부호는 반대 회전 방향을 나타내고, 아래첨자 "n+1"은 전류 계산각을 나타내며, 아래첨자 "n"는 이전 계산각을 나타낸다.
간명함을 위해, 도2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 시스템(10)을 사용하는 영구 자석 전기 모터를 제어하는 방법의 주 단계들이 설명된다.
제1 단계(100)에서, 3개의 전류 ia,ib,ic는 인버스 파킹 벡터 회전자(18)에서 처리되고, 인버스 파킹 벡터 회전자(18)는 이 전류들을 -θn 만큼 회전시켜 2개의 전류 Id, Iq를 출력한다.
단계(300)에서, 2개의 전류 Id 및 Iq가 2개의 전압 출력 Vq 및 Vd 를 계산하는데 사용된다(단계 500 및 600). 전압 출력 Vq 및 Vd는 파킹 벡터 회전자(20)에서 회전각 θn+1 만큼 회전되어 3개의 전압 제어 신호 Va, Vb 및 Vc(단계 700)를 생성한다.
도1을 참조하면, 본 발명의 방법들의 단계들을 보다 상세하게 설명한다.
전류 계산각은 다음 식에 의해 PM 모터(12)의 속도 ω및 토크 T의 변화에 응답하여 유도된다.
Figure 112004044749321-pct00001
(1)
여기서, k1 및 k2는 상수이다.
도1에 도시된 바와 같이, 상전류 ia,ib,ic는 라인(12a,12b,12c)을 통해 제1 인버스 파킹 벡터 회전자(18)로 향하고, 인버스 파킹 벡퍼 회전자(18)는 이 전류들을 회전자 축에 고정된 d-q 축 상의 다음 관계에 따라, 각 -θn 만큼 회전시켜 2개의 전류 Id 및 Iq를 출력한다.
Figure 112004044749321-pct00002
(2)
Figure 112004044749321-pct00003
(3)
PM 모터(12)의 3개의 위상들로부터의 3개의 전류 ia,ib,ic 각각이 측정되거 나, 그들 중 2개만 측정되고, 세번째 위상 전류는, 당업계에 공지된 바와 같이, 다음 식이 유효하므로, 다른 2개의 위상으로부터 계산된다.
Figure 112004044749321-pct00004
(4)
Id 및 Iq가 회전된 값들은 회전자 축 상에 고정된 d-q 축 상의 다음 식에 따라 기설정값 I* 과 Id 사이의 오차를 고려한 제1 전압 출력 Vq를 생성하는데 사용된다.
Figure 112004044749321-pct00005
(5)
여기서, k3은 상수이고, "PI"는 다음 식으로 정의되는 비례 및 적분 연산자이다.
Figure 112004044749321-pct00006
(6)
여기서, a,b는 상수이고, 적분 변수는 시간이다.
Id 및 Iq가 회전된 값들도 또한 회전자 축 상에 고정된 d-q 축 상의 다음 식에 따라 제2 전압 출력 Vd를 생성하는데 사용된다.
Figure 112004044749321-pct00007
(7)
여기서, k4 및 k5는 상수이다.
또한, 속도 ω는 위에 언급된 바와 같이 사용자에 의해 설정되는 반면, 토크 T는 다음 공식에 의해 계산된다.
Figure 112004044749321-pct00008
(8)
위 공식은 식(2)-(3)에 의해 결정된 회전자 프레임 상에 고정된 d-q 축 상에서의 Id 및 Iq 전류와 Vd 및 Vq를 사용한다.
연속적으로 회전하는 기준 프레임에서 2개의 전압 Vd 및 Vq는 제2 파킹 벡터 회전자(20)로 제공되고, θn+1만큼 회전되어 3개의 전압 제어 신호, 즉 Va, Vb , Vc를 생성하고, 이것은 다음 식에 따라 전력 유닛(14)을 제어한다.
Figure 112004044749321-pct00009
(9)
Figure 112004044749321-pct00010
(10)
Figure 112004044749321-pct00011
(11)
값 k1 내지 k5는 시스템(10)을 설계할 때, 사용되는 컴퓨터의 샘플링 속도, 전력 구동의 조건, 전류 센서의 감도, 모터의 특징 등 다수의 파라미터를 기초로 사용자가 설정한 상수인 점이 주목된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 모터 단자 전압이 자기 적응성인 시스템 및 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 3개의 전류 신호들은 우선 고정 프레임에서 직 접축(Id) 및 사중축(Iq)을 따라 각각 회전자 동기 프레임의 2개의 디커플링된 전류 성분으로 회전된다. 그리고 나서, 상수 및 사중축을 따라 흐르는 전류 성분의 곱이 추가된 직접 축 전류 성분 상에 전류 비례 및 적분 연산자를 인가함으로써 우선 그로부터 사중축을 따른 전압(Vq)이 유도된다(식5 참조). 반면에, 직접축 상의 전압(Vd)는 사중 전류 성분의 곱과 사중 전류 성분의 곱의 합으로 유도된다(식7 참조). 마지막으로, 계산된 사중 및 직접축 전압(Vq 및 Vd)은 회전자 동기 프레임에서 고정 프레임으로 뒤로 회전되어 모터 단자 전압(Va,Vb,Vc, 식9-11 참조)을 생성한다.
그러므로, 본 시스템 및 방법은 속도 및 토크의 변화 뿐만 아니라 주위 환경 변화에 따라 각 값을 연속적으로 업데이트하는 것을 가능케 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전자와 고정자를 갖는 영구 자석 3상 전기 모터를 제어하는 회로는, 직접축(Id) 및 사중축(Iq) 각각을 따라 고정 프레임에서 회전자 동기 프레임의 2개의 디커플링된 전류 성분으로 상기 영구 자석 전기 모터의 전류 신호의 회전을 가능케 하는 회전자; 상기 사중축 상의 전압(Vq) 및 상기 직접축 상의 전압(Vd)를 유도하는 비례 및 적분 연산자; 및 상기 회전자 동기 프레임에서 상기 고정 프레임으로 전압 Vq 및 Vd를 뒤로 회전시켜서 상기 영구 자석 전기 모터의 단자 전압 Va,Vb,Vc를 생성하는 회전자를 포함하는 것을 특징으로 한 다.
당업자는 본 발명의 방법 및 시스템이 위치 센서 또는 주위 환경에 의존하며, 환경 조건에 적응가능한 기전력(emf)과 같은 영구 자석 모터의 특성에 호소하지 않고도, 영구 자석 모터를 제어하는 것을 가능케 한다.
이상 본 발명을 실시예를 통해 설명하였으나, 본 발명은 이 실시예에 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구항의 해석에 의해 결정된다.

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 영구 자석 전기 모터를 제어하는 시스템으로서,
    영구 자석 전기 모터의 속도 ω 및 토크 T의 변화에 따라, 영구 자석 전기 모터(12)의 상 전류를 사용하여 전압 제어 신호를 생성하는 모터 제어기(16); 및
    상기 모터 제어기(16)로부터 전압 제어 신호를 수신하여 상기 영구 자석 전기 모터(12)로 피드백시키는 전력단(14); 을 포함하며,
    상기 모터 제어기(16)는 연속적으로 회전하는 각을 생성하는 파킹 벡터 회전자인 것을 특징으로 하는 영구 자석 전기 모터 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시스템은 영구 자석 전기 모터(12)의 속도 ω 및 토크 T의 변화와 주위 환경 변화에 연속적으로 반응하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 전기 모터 제어 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 영구 자석 전기 모터(12)를 제어하는 방법으로서,
    상기 영구 자석 전기 모터(12)의 각 위상의 전류를 결정하는 단계;
    상기 영구 자석 전기 모터(12)의 속도 및 토크 변화에 따라 전압 제어 신호를 획득하는 단계; 및
    상기 전압 제어 신호를 상기 영구 자석 전기 모터(12)로 피드백하는 단계; 를 포함하며,
    상기 방법은 상기 영구 자석 전기 모터(12)의 전류 토크 T를 계산하는 단계; 를 더 포함하고,
    상기 전류 토크 T를 계산하는 단계는, 상기 영구 자석 전기 모터(12)의 회전자 축 상에 고정된 d-q 축 상의 다음 관계에 따라, 상기 영구 자석 전기 모터(12)의 각 위상 전류를 각 -θn만큼 회전시켜서 2개의 전류 Id 및 Iq:
    Figure 112006073807959-pct00013
    , 및
    Figure 112006073807959-pct00014
    를 출력하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 전기 모터 제어 방법.
  9. 영구 자석 전기 모터(12)를 제어하는 방법으로서,
    상기 영구 자석 전기 모터(12)의 각 위상의 전류를 결정하는 단계;
    상기 영구 자석 전기 모터(12)의 속도 ω 및 토크 T 변화에 따라 전압 제어 신호를 획득하는 단계; 및
    상기 전압 제어 신호를 상기 영구 자석 전기 모터(12)로 피드백하는 단계; 를 포함하며,
    상기 영구 자석 전기 모터(12)의 각 상의 전류를 결정하는 단계는, 2개 위상의 전류를 측정하는 단계 그리고 다음 식:
    Figure 112006073807959-pct00026
    을 사용하여 세번째 위상의 전류를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 전압 제어 신호를 획득하는 단계는,
    전류 회전 각 θn+1를 계산하는 단계;
    2개의 전압 출력 Vq 및 Vd를 계산하는 단계; 및
    전압 출력 Vq 및 Vd를 각 θn+1만큼 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 전기 모터 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 회전각 θn+1을 계산하는 단계는,
    영구 자석 전기 모터(12)의 전류 토크 T 및 속도 ω와 다음식:
    Figure 112006073807959-pct00015
    단, k1 및 k2는 상수,
    을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 전기 모터 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 2개의 전압 출력 Vq 및 Vd를 계산하는 단계는,
    회전자 축 상에 고정된 d-q 축 상에서 전압 출력 Vq:
    Figure 112006073807959-pct00016
    단 k3은 상수이고, "PI"는
    Figure 112006073807959-pct00017
    로 정의되는 비례 및 적분 연산자, 단 a,b는 상수이고 적분 변수는 시간, 을 계산하는 단계; 및
    상기 회전자 축 상에 고정된 d-q 축 상에서 다음 식에 따라 전압 출력 Vd:
    Figure 112006073807959-pct00018
    단 K4 및 K5는 상수,
    를 계산하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 전기 모터 제어 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전압 제어 신호를 획득하는 단계는,
    다음 식:
    Figure 112006073807959-pct00019
    Figure 112006073807959-pct00020
    Figure 112006073807959-pct00021
    에 따라 3개의 전압 제어 신호 Va, Vb, 및 Vc를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석 전기 모터 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 회전자와 고정자를 갖는 영구 자석 3상 전기 모터를 제어하는 회로에 있어서,
    직접축(Id) 및 사중축(Iq) 각각을 따라 고정 프레임에서 회전자 동기 프레임의 2개의 디커플링된 전류 성분으로 상기 영구 자석 전기 모터(12)의 위상의 전류 신호의 회전을 가능케 하는 회전자;
    상기 사중축 상의 전압(Vq) 및 상기 직접축 상의 전압(Vd)를 유도하는 비례 및 적분 연산자; 및
    상기 회전자 동기 프레임에서 상기 고정 프레임으로 전압 Vq 및 Vd를 뒤로 회전시켜서 상기 영구 자석 전기 모터의 단자 전압 Va,Vb,Vc를 생성하는 회전자를 포함하고,
    전류 회전각 θn+1은
    Figure 112006073807959-pct00024
    에 영구 자석 전기 모터의 전류 토크 T 및 속도 ω를 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 3상 전기 모터 제어 회로.
  15. 회전자와 고정자를 갖는 영구 자석 3상 전기 모터를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 영구 자석 전기 모터의 상 전류를 고정 프레임에서 직접축(Id) 및 사중축(Iq) 각각에 따른 회전자 동기 프레임의 2개의 디커플링된 전류 성분으로 회전시키는 단계;
    그것으로부터 상기 사중축 상에 전압(Vq)를 유도하는 단계;
    상기 직접축 상에 전압(Vd)을 유도하는 단계; 및
    상기 전압 Vq 및 Vd를 상기 회전자 동기 프레임에서 상기 고정자 프레임으로 회전시켜 상기 영구 자석 전기 모터(12)의 단자 전압 Va,Vb,Vc를 생성하는 단계; 를 포함하며,
    전류 회전각 θn+1은
    Figure 112006073807959-pct00027
    에 영구 자석 전기 모터의 전류 토크 T 및 속도 ω를 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 3상 전기 모터 제어 방법.
  16. 각각 전류 ia,ib,ic를 지원하는 세 개의 위상을 갖는 영구 자석 전기 모터를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 전류 ia,ib,ic를 결정하는 단계;
    상기 전류 ia,ib,ic를 각 -θn만큼 회전시켜 전류 Id 및 Iq를 생성하는 단계;
    상기 영구 자석 전기 모터의 전류 토크를 계산하는 단계;
    전류 회전각 θn+1을 계산하는 단계;
    전압 출력 Vq를 계산하는 단계;
    전압 출력 Vd를 계산하는 단계;
    상기 전압 Vq 및 Vd를 회전각 θn+1만큼 회전시켜 3개의 전압 제어 신호 Va,Vb,Vc를 생성하는 단계; 및
    상기 전압 제어 신호 Va,Vb,Vc를 상기 영구 자석 전기 모터(12)에 인가하는 단계를 포함하고,
    전류 회전각 θn+1은
    Figure 112006073807959-pct00025
    에 영구 자석 전기 모터의 전류 토크 T 및 속도 ω를 사용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 전기 모터 제어 방법.
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